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1、流体力学（二）,主讲教师：孙 雷,船舶与海洋工程,船舶工程学院,A1 流体运动与流体力学 A2 流体力学与科学 A3 流体力学与工程技术 A4 流体力学的研究方法 A5 单位制,A 绪 论,A1 流体运动与流体力学,从古至今：人类生活在被流体围绕的环境中,人类祖先在海洋里生活了40亿年,在空气中也生活了近700万年,人类的感性认识: 流体固体,A1.1 有关流体运动的三个问题,一些流体运动问题的直觉往往与事实不符,高尔夫球：飞得远应表面光滑还是粗糙 汽车：阻力来自前部还是后部 机翼：升力来自上部还是下部,高尔夫球：飞得远应表面光滑还是粗糙,15世纪苏格兰盛行,“捶丸”早在元世祖至元十九年（公元
2、1282年）就在中国出现,当时人们认为表面光滑的球飞行阻力小，因此用皮革制球,后来发现表面有很多划痕的旧球反而飞得更远,这个谜直到20世纪建立流体力学边界层理论后才解开,高尔夫球：飞得远应表面光滑还是粗糙,光滑圆球体一杆打击40米远,老旧带划痕球体打击更远,螺旋线、网纹、方格纹、凸粒、凹坑200米开外,现在的高尔夫球表面有很多窝坑，在同样大小和重量下，飞行距离为光滑球的5倍，飞行阻力为光滑球的1/5。,汽车：阻力来自前部还是后部,实际上汽车阻力主要来自后部形成的尾流，称为形状阻力,汽车发明于19世纪末，当时人们认为汽车的阻力主要来自前部对空气的撞击，因此早期的汽车后部是陡峭的，称为箱型车，阻力
3、系数（CD）很大，约为0.8。,汽车：阻力来自前部还是后部,20世纪30年代起，人们开始运用流体力学原理改进汽车尾部形状，出现甲壳虫型，阻力系数降至0.6。,20世纪5060年代改进为船型，阻力系数为0.45。,汽车：阻力来自前部还是后部,80年代经过风洞实验系统研究后，又改进为鱼型，阻力系数为0.3。,以后进一步改进为楔型，阻力系数为0.2。,汽车：阻力来自前部还是后部,90年代后，科研人员研制开发的未来型汽车，阻力系数仅为0.137。,汽车：阻力来自前部还是后部,经过近80年的研究改进，汽车阻力系数从0.8降至0.137，阻力减小为原来的1/5 。,机翼：升力来自上部还是下部,人们的直观印
4、象是空气从下面冲击着鸟的翅膀，把鸟托在空中，就像船舶受到水下面的压力把船托在水面上一样。,错误的根源：认为升力来源于对空气的拍打,机翼：升力来自上部还是下部,19世纪初建立的流体力学环量理论彻底改变了人们的传统观念。,脱体涡量与机翼环量大小相等方向相反,机翼：升力来自上部还是下部,足球的“香蕉球”现象可帮助理解环量理论。,旋转的球带动空气形成环流，一侧气体加速，另一侧减速，形成压差力，使足球拐弯，称为马格努斯效应,U1,U2,U1,U2,机翼：升力来自上部还是下部,机翼的特殊形状使它不用旋转就能产生环量,上部流速加快形成吸力，下部流速减慢形成压力，两者合成形成升力。,机翼：升力来自上部还是下部
5、,测量和计算表明，上部吸力的贡献远比下部压力要大。,上部吸力,下部压力,机翼：升力来自上部还是下部,思考题：直升飞机没有机翼，靠旋转的浆翼产生升力，你认为它产生环量的机理是（ ）,请选择： A.与旋转的足球一样； B.与固定的机翼一样； C.其他。,A1.2 流体力学的任务,丰富多彩的流动图案背后隐藏着复杂的力学规律，人类为揭示流动奥秘建立了流体力学学科。,研究和解决生产、科研、生活中的流体运动问题就是流体力学的任务。,A1.2 流体力学的任务,航空、航海、水利、水文、气象、环境保护、农业、渔业、国防等部门必须掌握水和空气的宏观运动规律。,船舶与海洋工程中的设备的工作介质都是流体，为了改进流程
6、、提高效率，更需要流体力学的知识。,A1.2 流体力学的任务,流体力学是研究流体宏观运动规律的学科。 主要研究流体的运动规律，流体之间或流体与固体之间的相互作用力，及流动过程中动量、能量和质量的传输规律等。,A2 流体力学与科学,纪元前人类研究流体运动取得的成就： 公元前2282年我国的大禹治水， 公元前世纪古罗马建造城市供水系统， 公元前世纪阿基米德发现浮力定律， 及我国四川建造都江堰水利工程等。,A2 流体力学与科学,公元世纪，随着牛顿运动定律和微积分方法的建立，流体力学迈入理性发展的阶段。 一批著名的科学家如欧拉、伯努利、达朗贝尔、拉格朗日和拉普拉斯等建立了关于无粘性流体的理论流体力学；
7、 哈根、泊肃叶和谢才等一批著名的实验家则建立了关于真实流体的实验流体力学。 公元世纪末，两个流体力学分支开始结合，此期间的重大发展还有： 弗劳德建立模型实验法则， 瑞利建议采用量纲分析法， 雷诺发现两种流动状态， 纳维和斯托克斯则建立了粘性流体的运动方程。,A2 流体力学与科学,现代意义上的流体力学形成于世纪初， 以普朗特的边界层理论为标志，还有冯卡门和泰勒等一批流体力学家在空气动力学、湍流和涡旋理论等方面的卓越成就奠定了现代流体力学基础。 以周培源、钱学森为代表的中国科学家在湍流理论、空气动力学等许多重要领域内作出了基础性、开创性的贡献。,在流体力学领域内的一些重大发现和研究成果被推广应用到
8、其他学科领域中，有的已成为新学科的理论基石，开创了新的研究方向。,A2 流体力学与科学,世纪最具代表性的例子有： 流体力学边界层理论导致应用数学中渐近展开匹配法的形成。 流体力学孤立波理论成为新学科光通信的基石，并应用于声学、超导等其他领域。 从流体力学劳伦兹方程发现混沌。劳伦兹系统中代表无穷多天气状态的吸引子图形像蝴蝶，因此被称为“蝴蝶效应”。,A3 流体力学与工程技术,流体力学也是工程技术的重要基础。 对航空、航天、航海技术的影响： 由于空气动力学的发展人类已研制出的战斗机；,米格-15和F-86,米格-23,F-16战隼,F-22猛禽,X-51A,倍声速,A3 流体力学与工程技术,使载重
9、量超过300t，面积达半个足球场的大型民航客机靠空气动力作用，像鸟一样飞行成为现实，创造了人类技术史上的奇迹。,安托诺夫An-225“梦想式“运输机,空中客车A-380客机,A3 流体力学与工程技术,利用超高速气体动力学、物理化学流体力学和稀薄气体力学的研究成果，人类研制成功航天飞机，建立了太空站、实现了人类登月的梦想。,美国航天飞机,苏联和平号空间站,1969年登月,A3 流体力学与工程技术,在水动力学、船舶流体力学基础之上，设计了单价超过亿美元、能抵抗大风浪的海上采油平台；排水量达万吨以上的超大型船舶；航速达节、深潜达数百米的核动力潜艇；时速达的新型地效船等。,超大型船舶,洛杉矶级 核动力
10、潜艇,海上采油平台,天使鸟号地效应船,A4 流体力学研究方法,流体力学的研究方法分三个方面： 理论分析方法、实验方法、数值方法。,A4.1 理论分析方法,理论分析的一般过程是： 建立力学模型，用物理学基本定律推导流体力学数学方程，用数学方法求解方程，检验和解释求解结果。,A4.1 理论分析方法,目前，流体力学理论研究的主攻方向是： 湍流、流动稳定性、涡运动、水动力学、水波动力学、复杂流动、多相流动等。,晴空湍流,机翼涡系,泰勒涡旋,理论分析结果能揭示流动的内在规律，具普遍适用性，但分析范围有限。,A4.2 实验方法,实验研究的一般过程是： 在相似理论的指导下建立模拟实验系统，用流体测量技术测量
11、流动参数，处理和分析实验数据。,A4.2 实验方法,典型的流体力学实验有：,风洞实验,水池实验,水洞实验,测量技术：热线、激光测速；粒子图像、迹线测速；高速摄影；全息照相；压力、密度测量等。 实验结果能反映工程中的实际流动规律，发现新现象，检验理论结果等，但结果的普适性较差。,A4.3 数值方法,数值研究的一般过程是： 对流体力学数学方程作简化和数值离散化，编制程序作数值计算，将计算结果与实验结果比较。,A4.3 数值方法,常用的方法有： 有限差分法、有限元法、有限体积法、边界元法、谱分析法等。,数值方法的优点是能计算理论分析方法无法求解的数学方程，比实验方法省时省钱，但毕竟是一种近似解方法，
12、适用范围受数学模型的正确性和计算机的性能所限制。,A4 流体力学研究方法,三种方法各有优缺点，应取长补短，互为补充。,A5 单位制,一般的流体力学问题中基本量纲有四个： 质量M，长度L，时间t和温度T。 本课程采用国际单位制（SI）。 在国际单位制（SI）中取质量（千克）、长度（米）、时间（秒）和温度（开尔文）为基本单位，力的单位（牛顿）是导出单位，详见表A5.1,定量地表示物理量B的标准基元称为单位B（i），类别与相应的物理量B相同，大小由人为规定。物理量大小可以用相应的单位表示：,B = k (i) B (i),表A5.1 常用SI单位,参考书及课程安排,流体力学（上、中、下）_丁祖荣_上
13、海交通大学出版 Marine Hydrodynamics(船舶流体动力学)_J.N.Newman_MIT Press,课程总计32学时，平时成绩（作业、出席）20%，考试成绩80%。,B1 流体及物理性质 B2 流动分析基础 B3 微分形式的基本方程 B4 量纲分析与相似原理 B5 积分形式的基本方程,B 基 础 篇,本篇的首要目的是从力学的角度建立对流体的认识，包括流体的: 输运特性（如粘性等） 运动学特性（如平移、旋转和变形规律等） 热力学特性（如密度、可压缩性、状态方程等) 其他特性（如流态等） 第二个目的是从物理学基本定律出发建立流体运动和力（能量）的定量关系，这些物理定律包括： 质量
14、守恒定律 动量守恒定律 能量守恒定律等,流体、运动和力（能量）是构成流体力学的三个基本要素，本篇将围绕这三个要素从定性和定量两个方面介绍流体力学的基本概念、基本定理和基本方法。,B1 流体及物理性质,本章讨论流体力学三要素中第一要素“流体”。 根据流体的物理性质建立的本构关系及流体模型是研究流体运动的重要基础。 主要内容：连续介质假设，流体的易变形性，粘性，可压缩性，流体模型分类。,重点：（1）流体质点概念； （2）流体的易变形性； （3）牛顿粘性定律及固壁不滑移条件； （4）按粘性和压缩性建立流体模型。,B1.1 连续介质假设,流体的微观特性：分子运动特性。 时间上：随机性 空间上：不连续性
15、 流体的宏观特性：临界体积内分子特性的统计平均值。 时间上：确定 空间上：连续性 测量流体中某一点的速度时，仪器测量（感受）的是体积中分子运动速度的统计平均值,统计平均值与感受体积的变化关系,目前最精细的测速仪的感受体积约为 包含分子约 个 （统计平均值足够稳定）,右上图 激光测速仪激光束聚焦点,B1.1 连续介质假设,流体质点假设 流体质点无线尺度、热运动； 流体质点具有宏观特性； 流体质点的物理量值为周围临界 体积范围内物理量的统计平均值。,思考：具有流体宏观特性的流体微团可否作为研究对象呢？,（1）微团虽小仍有线尺度 （2）微团运动中会发生变形,流体质点是因数学分析而假想的概念,流体质元
16、模型 流体质元具有线尺度； 大量流体质点构成的微小单元； 由流体质点相对运动形成流体元的旋转和变形运动。,流体质元是描述流体微团的旋转和变形引入的模型,B1.1 连续介质假设,连续介质假设：流体是由连续分布的流体质点组成的介质。 (1) 可用连续性函数B(x,y,z,t)描述流体质点物理量的空间分布和时间变化； (2) 由物理学基本定律建立流体运动微分或积分方程，并用连续函数理论求解方程。 连续介质假设模型是对物质分子结构的宏观数学抽象，就象几何学是自然图形的抽象一样。 除了稀薄气体与激波的绝大多数工程问题，均可用连续介质模型作理论分析。,B1.2 流体的易变形性,流体与固体在宏观力学行为方面的主要差异是流体具有易变形性。 流体的力学定义：流体不能抵抗任何剪切力作用下的剪切变形趋势。 流体的易变形性表现在： 在剪切力持续作用下，流体能产生无限大的变形； 在剪
